بارهای هارمونیک زا
هنگامی که استفاده از مبدل‌های الکترونیک قدرت در اواخر دهه ۱۹۷۰ معمول شد، توجه بسیاری از مهندسان برق درمورد توانایی پذیرش اعوجاج هارمونیکی توسط سیستم‌های قدرت را برانگیخت. پیش بینی‌های مأیوس کنندهای ازسرنوشت سیستم‌های قدرت درصورت اجازه استفاده ازاین تجهیزات انجام گرفت. درحالی که بعضی از این نگرانی‌ها احتمالاً بیش از حد قلمداد مى شد، ولی بررسی مفهوم کیفیت برق مدیون آنها، به دلیل پیگیری درباره این مسئله می‌باشد.
بروز هارمونیک در سیستم‌های برق اولین پیامد عناصر غیرخطی در شبکه است. به دلیل گسترش فزاینده استفاده ازعناصر غیرخطی درسیستم‌های برق، مانند راه انداز‌ها (درایور‌های تنظیم سرعت) و مبدل‌های الکترونیکی قدرت مقدارهارمونیک شکل موج جریان و ولتاژ به طورچشمگیری افزایش یافته و در نتیجه اهمیتموضوع کاملاً مشخص است.
بررسی مسائل هارمونیک‌ها منجر به تحقیقاتی شد که نتایج آن نقطه نظرات متعددی درمورد کیفیت برق بود. به نظر برخی از محققان، اعوجاج هارمونیکی هنوز مهم‌ترین مسئله کیفیت برق می‌باشد. مسائل هارمونیکی با بسیاری از قوانین معمولی طراحی سیستم‌های قدرت و عملکرد آن تحت فرکانس اصلی مغایر است.
بنابراین مهندس برق با پدیده‌های ناآشنایی روبرو می‌شود که نیاز به ابزار پیچیده و تجهیزات پیشرفته برای حل مشکلات و تجزیه و تحلیل آنها دارد. گرچه تحلیل مسائل هارمونیکی می‌تواند دشوار باشد، ولی خوشبختانه همه سیستم قدرت مشکل هارمونیکی ندارد و فقط درصد کمی از فیدر‌های مربوط به سیستم‌های توزیع تحت تأثیر عوامل ناشی از هارمونیک‌ها قرار می‌گیرند. مصرف کننده‌های برق در صورت وجود هارمونیک‌ها مشکلات زیادتری از تولید کننده‌های برق را تحمل می‌کنند. بارهای صنعتی که از محرکه‌های موتور با قابلیت تنظیمسرعت، کوره‌های قوس الکتریکی، کوره‌های القایی، یکسوکننده‌ها، اینورترها، فرستنده‌های تلویزیونی و نظایر آن استفاده می‌کنند، نسبت به مسائل ناشی از اعوجاج هارمونیکی ضربه پذیرتر از بقیه مصرف کننده‌ها هستند. اعوجاج هارمونیکی پدیده جدیدى در سیستم‌های قدرت به شمار نمی‌رود، نگرانی ناشی از اعوجاجدر بسیاری از دوره‌ها درسیستم‌های قدرت الکتریکی جریان متناوب وجود داشته و دنبال شده است.
جستجوی منابع و مطالب تکنیکی دهه‌های قبل نشان می‌دهد که مقالات مختلفی دررابطه با این موضوع انتشار یافته است. اولین منابع هارمونیکی شناخته شده، ترانسفورماتور‌ها بودند و نخستین مشکل نیز در سیستم‌های تلفن پدید آمد. استفاده گروهی از لامپ‌های قوس الکتریک به دلیل مؤلفه‌های هارمونیکیتوجهات خاصی را برانگیخت ولی این مسائل به اندازه اهمیت مسئله مبدل‌های الکترونیک قدرت در سال‌های اخیر نبوده است. خوشبختانه در طی این سالهاپژوهشگران متوجه شده اند که اگرسیستم انتقال به نحو مناسبی طراحی شود، به نحوی که بتواند مقدار توان مورد نیاز بار‌ها را به راحتی تأمین کند، احتمال ایجاد مشکل ناشی از هارمونیک‌ها برای سیستم قدرت بسیارکم خواهدبود؛ گرچه این هارمونیک‌ها می‌توانند موجب مسائلی در سیستم‌های مخابراتی شوند.
اغلب در سیستم‌های قدرت مشکلات زمانی بروز می‌کنند که خازن‌های موجود در سیستم باعثایجاد تشدید دریک فرکانس هارمونیکی شوند. دراین شرایط اغتشاشات و اعوجاجها، بسیار بیش از مقادیر معمول می‌گردند. امکان ایجاداین مشکلات در مورد مراکز کوچک مصرف وجود دارد ولی شرایط بدتر در سیستم‌های صنعتی به دلیل درجه زیادی از تشدید رخ می‌دهد.
علت ایجاد اعوجاج هارمونیکی
اعوجاج هارمونیکی در سیستم‌های قدرت ناشی از عناصر غیرخطی است. عنصر غیرخطی عنصری است که جریان آن متناسب با ولتاژ اعمالی نیست افزایش چند درصدی ولتاژ ممکن است باعث شود که جریان دوبرابر شده و نیز موج جریان شکل دیگری به خود بگیرد. این مورد ساده‌ای از منبع تولید اعوجاج در سیستم قدرت است.
هر شکل موج اعوجاجی پریودیک را می‌توان به صورت جمع موج‌های سینوسی بیان کرد. یعنی وقتی که شکل موج از یک سیکل به سیکل دیگر تغییر نکند، این موج را می‌توان به صورت جمع امواج سینوسی خالص که درآن فرکانس هر موج سینوسی، مضرب صحیحی از فرکانس اصلی موج اعوجاجی است نمایش داد. این موج‌های سینوسی را که فرکانس آنهاضریب صحیحی از فرکانس اصلی هستند.
هارمونیک‌های مؤلفه اصلی مى گویند. جمع این موج‌های سینوسی به سری فوریه معروف است. این مفهوم ریاضی نخستین بار توسط فوریه ریاضیدان فرانسوی مورد توجه قرار گرفت.
تجهیزات آسیب پذیر
موتور‌های الکتریکی ازجمله وسایلی هستند که درمعرض بیشترین اثر نامطلوب هارمونیک‌ها قراردارند. هارمونیک حاصل از ولتاژ تغذیه باعث تلفات بالاتر در موتور‌های الکتریکی شده و باعث کاهش ظرفیت نامی می‌شود. کاهش عمر و فرسایش عایق بندی موتور به علت افزایش دمای داخلی بالاتراز میزان نامی، از دیگر آثار نامطلوب هارمونیک‌ها در موتور‌های الکتریکی است. سیستم عایق بندی آسیب پذیرترین قسمت یک موتور الکتریکی درمقابل افزایش دمای حاصل از هارمونیک است. تسریع در فرسایش، خطا و مشکلات عایقی و کاهش عمر معمول ترین نشانه‌های مشاهده شده در سیستم‌های عایقیِ درمعرض افزایش حرارت، می‌باشد.
منابع تولید هارمونیک
پیدایش عناصر نیمه هادی و المان‌های غیرخطی نظیر دیود، تریستور و … و استفاده فراوان از آنها در شبکه‌های قدرت، عامل جدیدی برای ایجاد هارمونیک در سیستم‌های قدرت به وجود آورد. کاربرد این عناصر را می‌توان در تجهیزات و سیستم‌های قدرت زیر دید:
- کوره‌های قوس الکتریکی و القایی
- یکسوکننده‌ها و مبدل‌های الکترونیک قدرت
- تجهیزات مورد استفاده درکنترل کننده‌های سرعت ماشین‌های الکتریکی
(VSD) به عنوان ابزار مهمی SVC – کاربرد
درکنترل توان راکتیو
- بارهای غیرخطی شامل دستگاه‌های جوشکاری
- جریان مغناطیسی ترانسفورماتوراز سوی دیگر عوامل زیر را نیز می‌توان بهعنوان تولیدکننده هارمونیک در نظر گرفت
- تولید شکل موج غیر سینوسی توسط ماشین‌های سنکرون ناشی از وجود شیار‌ها وعدم توزیع یکنواخت سیم پیچی‌های استاتور
- توزیع غیر سینوسی فوران مغناطیسی درماشین‌های سنکرون همچنین صنایع زیر را می‌توان از جمله عوامل تولید هارمونیک در شبکه‌های الکتریکی به حساب آورد
صنایع
صنایع شامل مجتمع‌های شیمیایی و پتروشیمی و نیز صنایع ذوب آلومینیم که از DC یکسوکننده‌های پرقدرت برای تولید برق مورد نیاز انجام فرآیند‌های شیمیایی و ذوب آلومینیم استفاده می‌کنند.
- در سازمان صدا و سیما مصرف کنندهای دیجیتال از قبیل: فرستنده‌های تلویزیونی و رادیویی
- سیستم‌های هوا رسانی
- مبدل‌های الکترونیک قدرت که باعث می‌شود سطوح زیادی از هارمونیک به سیستم توزیع تزریق شود
- بارهای غیرخطی مانند کوره‌های قوس m. الکتریکی که در صنایع ذوب آهن استفاده می‌شود از عوامل تولید هارمونیک در مقیاس بزرگ می‌باشند.
مزایای فنی و اقتصادی کاهش هارمونیک‌ها
اگرچه بحث تفصیلی درمورد خسارات هارمونیک‌ها پیچیده است ولی می‌توان در یک جمع بندی اجمالی مزایای کاهش هارمونیک‌ها
را به شرح زیر بیان کرد:
- کاهش تلفات تجهیزات الکتریکی و شبکه برق رسانی
- آزادسازی ظرفیت تجهیزات شبکه مانند موتور‌های الکتریکی و ترانسفورماتور‌ها
- افزایش طول عمر تجهیزات به دلیل کاهش تلفات و کاهش درجه حرارت
- کاهش احتمال رزونانس موازی و سری در شبکه
- افزایش راندمان موتور‌های الکتریکی و مبدل‌های الکترونیکی و منابع تغذیه سوئیچینگ
- کاهش خطای عملکرد رله‌ها، تجهیزات کنترلی و حفاطتی شبکه ناشی از تأثیر هارمونیک‌ها
- کاهش خطای قرائت دستگاه‌های اندازه گیری و کنتور‌ها و در نتیجه کاهش طراحی تجهیزات حفاظتی و کنترلی
- عملکرد بهتر تجهیزات شبکه و مشترکان از جمله ماشین‌های الکتریکی به دلیل کاهش اثر گشتاور‌های مخالف به واسطه برخی از هارمونیک‌ها
- بهبود رضایت مصرف کننده‌ها به دلیل بهبود کیفیت توان
منبع : برق نیوز
